浅谈窄缝式消能工在重力拱坝坝面溢流中的应用

【摘要】在近年来的社会发展中，伴随着科学技术和计算机技术的飞速发展，水工建筑结构的施工也越来越受到人们的关注和重视，成为整个工程建设中最值得我们关注和重视的话题。本文就以某工程为例，就其水利工程在施工中泄洪消能能力分析，提出了以窄缝式消能工在其坝体结构上的应用，并提出了相关的工作要点和应用优势，以供同行工作参考。 
【关键词】窄缝消能；重力拱坝；坝体结构；坝面 
　　在现代化水利工程项目施工建设中，其通常都是及灌溉、发电和蓄水为一体的工程施工方式，因此其在施工的过程中是一种综合性、系统化和全面化的施工模式和施工体系，这种工程施工措施和施工方法的应用对于整个水利工程施工而言是一种革命性的转变。在目前的水利工程中，以窄缝式消能工为主的消能泄洪装置受到了人们的重视与关注，成为整个工程领域中最受关注的环节。 
　　一、重力拱坝与窄缝式消能工概述 
　　1、重力拱坝 
　　重力拱坝也被称之为重力弯坝，是重力作用较为显著的一种坝体结构。在目前的水利工程项目中，其主要应用在河谷较为宽大的工作环节，同时这种坝体结构在施工的工程中厚度一般都是控制在0.35左右，且其厚度都是在其上的。一般来说，在在目前的水利工程施工中，重力拱坝的施工主要是按照施工结构的整体性要求和施工质量要求进行的一种综合性工程模式和工程体系，也是现代化重力坝提结构中深受人们关注和重视的环节，同时在施工的过程中按照河流宽度来设置相应的坝体弯度，其在施工中是一种与重力坝相似的一种，其施工中，通常由U型重力拱坝结构和C型重力拱坝结构两种不同的体系。这种坝体结构在目前的工程中较为常见，是厚重坝体结构中的一种，一般来说在水利工程项目中，采用这种坝体结构进行施工有着施工质量好、整体性能高、安全性能高且各种功能和优势的发挥较为明显和全面，且对于各种病症和质量通病的抵抗能力较强。其次，这种坝体结构在施工的过程中由于整个坝体较厚，因此可以在坝体内部和坝顶设置相关的溢流通道，便于消能泄洪。再次，在目前的坝体工程施工工种，便于坝体下部结构各种厂房和设备机房的施工要求，从而认识的整个工程项目发挥出一定的工作优势。 
　　2、窄缝式消能工 
　　窄缝式消能工是目前水利工程施工中较为常见的一种新型消能泄洪装置，是目前我国水利工程项目中采用较为常见的一种工作体系和工作模式。其在施工应用的过程中不同于传统的宽缝式消能工装置，是一种借助于坝体结构周边接缝部位的相关装置来进行收缩，使得水流溢流出去的一种工作模式和工作体系。同时，在目前的水利工程建设项目中，以窄缝式消能工为主的综合性工作体系和工作流程越来越受到人们的关注与重视，成为整个工程项目中最受人们重视和关注的环节。 
　　二、窄缝式消能工在某水利工程中的应用 
　　1、工程概况 
　　某灌溉工程是一项低坝引水和水库蓄水调节相结合的中型水利工程，以灌溉为主，结合发电。灌溉面积1.053万hm2，坝后引水发电可装机4MW。整个工程分二期建设，一期低坝引水枢纽及其配套干支渠工程已建成收益。某水库是该工程的二期水源工程，位于汉江一级支流酉水河上游茅坪乡的溜石片处，距已建成的一期低坝引水渠首13km，距县城60km。工程规模为中等三等。整个水库枢纽由挡水砌石拱坝、溢流坝、排砂防空底孔、电站引水洞及厂房等建筑物组成。最大坝高78m，距顶总长118m。溢流坝段总长70.2m，位于大坝左侧，共分6孔，每孔净宽10m。堰面采用WES曲线，采用挑流方式消能。 
　　2、窄缝挑坎体型的确定 
　　初设方案坝面溢流消能工采用连续式挑坎，挑坎沿径向收缩，在坝面长度25.12m的范围内，收缩比为0.85，出坎水舌基本沿径向下泄，表现出明显的向心集中趋势，落水集中，且受上游来水和溢流坝布置方向的影响，落点偏向河床右岸一侧。设计洪水时，下游河道冲刷较为严重，基岩以下冲深17m，淤积封堵了整个河床，防护堤翻水，厂房被淹，水舌两侧存在不同程度的回流；校核洪水时，水舌落点偏向右岸，左岸产生较强回流，使水舌落点至坝脚之间形成逆时针方向的绕流，冲淤也更为严重，基岩以下冲深21m。 
　　连续式挑坎方案的试验结果表明，溢流堰的堰面体型设计基本合理，下游消能防冲效果不理想的主要原因是出坎挑流水舌在空中没有经过充分扩散、掺气就集中下泄入水，且水舌落点于过集中。那么，方案修改的出发点就是调整水舌的空中姿态，改变水舌的落水方式，也就是要增加水舌的覆盖率，在入水前分散能量，尽可能多地调动消能区水体参与消能，还要满足部分闸孔单独开启的运行要求。结合初设方案溢流堰堰面体型，在溢流坝面加分隔墙，变化挑坎形式，经过多组试验研究对比，最终优化推荐了一种复合型消能工“三孔导向窄缝挑坎十三孔不对称扩散挑坎”。其显著特点是将窄缝挑坎与经典的扩散挑坎进行有机结合，立体消能。 
　　3、水舌特性 
　　下泄水流受窄缝挑坝和不对称扩散挑坎的共同作用。以三纵三横方式落水。通过2、4、6号闸孔（从左至右依次排序）下泄的水流，挑距接近连续式挑坎方案，达到68m，远离坝脚；水舌在空中的形态像一张薄型的雨帘，在横向得以充分扩散、掺气；落水时水舌横向分布连续均匀，入水居中，最大限度地占满河床宽度，入水深度较连续式挑坎增加了约50%，且水舌形态连续光滑，稳定性好。通过1、3、5号闸孔下泄的水流呈纵向拉开水舌，三股水舌均匀地分布于河床之中，其水舌前缘紧贴另三孔的横各水舌，设计洪水时向后纵向拉开长度28m。这样，复合消能工的水舌覆盖率较之连续式挑坎方案有了明显的提高。 
　　4、下游河道冲淤形态 
　　在相同条件下，和连续式挑坎方案相比，窄缝挑坎和扩散挑坎复合消能工将相同的入水流量分成两部分下泄，扩散挑坎的出坎水舌在空中横向充分扩散，入水水舌占满整个河床横断面，入水宽度较连续式挑坎增加了约50%，又使横向入水的单宽流量减小50%以上，对下游河床的冲刷也就大幅度减小；窄缝挑坎的出坎水舌则是通过侧墙的收缩迫使其在竖向和纵向充分扩散、掺气，呈扫帚状沿河流方向较均匀地进入下游水垫中，表成一条窄而长入水面积，且能顺水流方向充分散开，每一个窄缝挑坎的出坎流量也仅占总流量的1/6，加之空中剧烈变形也要消耗部分能量，和扩散挑坎相比，窄缝挑坎的出坎水舌对下游河床的冲刷也就微不足道。 
　　三、结语 
　　窄缝式消能工一般多应用于岸边溢洪道末端或泄洪洞出口，很少在坝面泄水道中采用，南一水库也只是将单一的窄缝挑坎应用在溢流坝面泄洪上。某水库的水工模型试验研究成果表明，在解决重力拱坝坝面溢流的消能防冲问题时，在溢流坝面上加设分隔墙，将坝面水流分成几股水流下泄，再结合与之相匹配的挑坎形式，可以起到减小水流向心集中、调整出坎水舌的方向及落点和提高消能防冲效果的作用。